基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理

我不是女神ヾ 2022-10-21 01:06 336阅读 0赞

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作者 | strongerHuang

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如今电池供电的产品很多，电池供电通常设计到一个问题，那就是低功耗。

本文为大家讲讲基于[**STM32**][STM32]、[**FreeRTOS**][FreeRTOS]实现低功耗思想和原理。

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**低功耗设计常规思路**

应用中使用的 RTOS 一般采用基于时间片轮转的抢占式任务调度机制，一般的低功耗设计思路如下：

**1. 当 Idle 任务运行时，进入低功耗模式；**

**2. 在适当的条件下，通过中断或者外部事件唤醒 MCU。**

但是， 从第二点可以看出，每次当 OS 系统定时器产生中断时，也会将 MCU 从低功耗模式中唤醒，而频繁的进入低功耗模式/从低功耗模式中唤醒会使得 MCU 无法进入深度睡眠，对低功耗设计而言也是不合理的。

在 FreeRTOS 中给出了一种低功耗设计模式 ——**Tickless Idle Mode， 这个方法可以让 MCU 更长时间的处于低功耗模式**。

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**Tickless Idle Mode原理及实现**

**1. 情景分析**

FreeRTOS各任务情况：

![f615c1034cc802bc51bff709a8ffb27c.png][]

上图是任务调度示意图，横轴是时间轴， T1， T2， T3， T4 是 RTOS 的时间片基准，有四个任务分别是 TaskA,B,C,D。

**Task A：**周期性任务

**Task B：**周期性任务

**Task C：**突发性任务

**Task D：**周期性任务

从图中可以看出在四个任务进行调度之间，会有四次空闲期间（此时 RTOS 会调度 Idle 任务运行， 软件设计的目标应该是尽可能使 MCU 在 Idle 任务运行时处于低功耗模式） 。

**Idle1:** Idle 任务运行期间，会产生一次系统时钟滴答，此时会唤醒 MCU，唤醒后 MCU 又会进入低功耗模式， 这次唤醒是无意义的。期望使 MCU 在 Idle1 期间一直处于低功耗模式， 因此适当调整系统定时器中断使得 T1 时不触发系统时钟中断， 中断触发点设置为 Task B 到来时；

**Idle2：**Task C 在系统滴答到达前唤醒 MCU（外部事件） ， MCU 可以在 Idle2 中可以一直处于低功耗模式；

**Idle3:** 与 Idle2 情况相同，但 Idle3 时间很短，如果这个时间很短，那么进入低功耗模式的意义并不大，因此在进入低功耗模式时软件应该添加策略；

**Idle4:** 与 Idle1 情况相同。

**2. Tickless Idle Mode 的软件设计原理**

Tickless Idle Mode 的设计思想在于尽可能得在 MCU 空闲时使其进入低功耗模式。从上述情景中可以看出软件设计需要解决的问题有：

**a. 合理的进入低功耗模式（避免频繁使 MCU 在低功耗模式和运行模式下进行不必要的切换） ;**

RTOS 的系统时钟源于硬件的某个周期性定时器（Cortex-M 系列内核多数采用 SysTick） ，RTOS 的任务调度器可以预期到下一个周期性任务（或者定时器任务） 的触发时间，如上文所述，调整系统时钟定时器中断触发时间，可以避免 RTOS 进入不必要的时间中断，从而更长的时间停留在低功耗模式中，此时 RTOS 的时钟不再是周期的而是动态的（在原有的时钟基准时将不再产生中断，即 Tickless） ；

**b. 当 MCU 被唤醒时，通过某种方式提供为系统时钟提供补偿。**

MCU 可能被两种情况所唤醒， 动态调整过的系统时钟中断或者突发性的外部事件，无论是哪一种情况，都可以通过运行在低功耗模式下的某种定时器来计算出 MCU 处于低功耗模式下的时间，在 MCU 唤醒后对系统时间进行软件补偿；

**c. 软件实现时，要根据具体的应用情景和 MCU 低功耗特性来处理问题。**

尤其是 MCU 的低功耗特性， 不同 MCU 处于不同的低功耗模式下所能使用的外设（主要是定时器） 是不同的， RTOS 的系统时钟可以进行适当的调整。

**3. Tickless Idle Mode 的实现**

这里以 STM32F407 系列的 MCU 为例， 首先需要明确的是 MCU 的低功耗模式， F407 有 3 种低功耗模式：Sleep、Stop、 Standby。

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在 RTOS 平台时， SRAM 和寄存器的数据不应丢失， 此外需要一个定时

器为 RTOS 提供系统时钟， 这里选择 Sleep 模式下进行实现。

**使能Tickless Idle：**

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

RTOS空闲任务（空闲时自动调用）实现：

/* Idle 任务 */
    void prvIdleTask( void *pvParameters )
    {
      for( ; ; )
      {
        //...
    #if(configUSE_TICKLESS_IDLE != 0)
        {
          TickType_t xExpectedIdleTime;
          /* 用户策略以决定是否需要进入 Tickless Mode */
          xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
          if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
          {
            vTaskSuspendAll(); // 挂起调度器
            {
              configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
              xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
              if( xExpectedIdleTime >=
              configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
              {
                /* 用户函数接口 */
                /* 1. 进入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */
                /* 2. 系统时间补偿 */
                portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
              }
            }
            (void) xTaskResumeAll(); // 恢复调度器
          }
        }
    #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
        //...
      }
    }

然后，低功耗模式处理（根据 MCU 的低功耗模式编写代码， 代码有点长……）

void vPortSuppressTicksAndSleep( portTickType xExpectedIdleTime )
    {
      unsigned long ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,
      ulCompletedSysTickDecrements;
      portTickType xModifiableIdleTime;
      /* 最长睡眠时间不可以超过定时器的最大定时值 */
      /* 通过调整定时器的时间基准可以获得更理想的最大定时值 */
      if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
      {
        xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
      }
      /* 停止 SysTick */
      portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
      
      /* 计算唤醒时的系统时间，用于唤醒后的系统时间补偿 */
      ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG + ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );
      
      if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
      {
        ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
      }
      __disable_interrupt();
      /* 确认下是否可以进入低功耗模式 */
      if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
      {
        /* 不可以，重新启动系统定时器 */
        portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
        portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
        portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
        portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
        portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
        __enable_interrupt();
      }
      else
      {
        /* 可以进入低功耗模式 */
        /* 保存时间补偿，重启系统定时器 */
        portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue;
        portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
        portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
        portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
        /* 进入低功耗模式，可以通过 configPRE_SLEEP_PROCESSING 函数进行低功耗模式下
        时钟及外设的配置*/
        xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
        configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );
        if( xModifiableIdleTime > 0 )
        {
          __DSB();
          __WFI();
          __ISB();
        }
        /* 退出低功耗模式 */
        configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
        portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
        portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
        __disable_interrupt()
        __enable_interrupt();
        /*唤醒有两种情况：系统定时器或者外部事件（中断） */
        if((portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT) != 0)
        {
          /* 系统定时器唤醒，时间补偿 */
          unsigned long ulCalculatedLoadValue;
          ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) –
          ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
          if( ( ulCalculatedLoadValue < ulStoppedTimerCompensation ) ||
          ( ulCalculatedLoadValue > ulTimerCountsForOneTick ) )
          {
          ulCalculatedLoadValue = (ulTimerCountsForOneTick - 1UL);
          }
          portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;
          ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
        }
        else
        {
          /* 外部事件（中断）唤醒 */
          ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime *
          ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
          ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements /
          ulTimerCountsForOneTick;portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) *
          ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
        }
    
    
        /* 重启 Systick，调整系统定时器中断为正常值 */
        portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
        portENTER_CRITICAL();
        {
          portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
                                      portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
                                      portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
          vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
          portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
        }
        portEXIT_CRITICAL();
      }
    }

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**最后**

低功耗的设计存在很多影响功耗的因素，比如电路设计、[**IO引脚配置**][IO]等。

[**MCU实现低功耗的方法和种类**][MCU]有很多，设计时需要注意一些低功耗细节问题。

最后，以上方法仅供学习参考，具体请按照实际项目选择合理的低功耗设计方案。

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